3. Річковий стік

3.1. Основні характеристики стоку

Опади, що падають на землю, стікають по земній поверхні і інфільтруються в ґрунт. Ці процеси називають поверхневим і підземним стоком.

Поверхневий стік ділять на русловий, що пропливає по руслах рік і схиловий, який відбувається на схилах пагорбів. Для кількісної оцінки річкового стоку застосовують такі характеристики:

• витрати води Q (м³/с) – кількість води, що пропливає через поперечний переріз потоку за секунду;

• об’єм стоку W (м³) – кількість води, що пропливає через поперечний переріз потоку за певний період часу Т (добу, рік)

; , (3.1)

де - середні витрати, м³/с (1 доба=86400 с; 1 рік=31,5610⁶ с).

• модуль стоку q_r (м³/(скм²) – кількість води, яка стікає із одиниці площі водозбору за одиницю часу

, (3.2)

де А – площа водозбору, м²;

• шар стоку h_y (мм) – потужність шару води, що стікає із водозбору за який-небудь проміжок часу Т (доба, рік). Отримують за умови рівномірного розподілення об’єму стоку W по всій площі водозбору А.

; ; ; (3.3)

• коефіцієнт стоку  - відношення потужності шару стоку _y до висоти шару опадів х, що випали на площу водозбору за період часу, який розглядають

. (3.4)

Ця безрозмірна характеристика показує, яка частина опадів витрачається на утворення стоку.

Річковим стоком називають кількість води W_р, що стікає із даного басейну за рік. Річковий стік не постійна характеристика.

Середнє значення річкового стоку за багаторічний період (40…60 років) називають нормою стоку. Це основна гідрологічна характеристика, але і вона не дуже точна, оскільки кліматичні фактори мають циклічні коливання із періодом 1800 років. Зміну стоку викликає також господарча діяльність людини.

Максимальним стоком – називають об’єм або шар стоку за час проходження основної хвилі водопілля або за період найбільшої повені.

Мінімальним стоком – називають найменший стік річок, що спостерігається в межень (влітку або взимку).

3.2 Вплив кліматичних факторів на стік

Річковий стік – це складний багатофакторний природний процес, який залежить від фізико-географічних умов басейну і господарчої діяльності людини.

На величину стоку впливають кліматичні фактори і фактори підстеляючої поверхні. Найбільш важливими метеорологічними елементами, що визначають стік, є опади і випаровування.

Атмосферні опади випадають на земну поверхню у вигляді дощу, снігу або граду, роси, інею, паморозі. Із інженерної точки зору цікавими є кількість опадів х і тривалість їх випадіння і_х. Середня кількість опадів (мм), що випадають за 1 хвилину на горизонтальну поверхню, називається інтенсивністю випадіння опадів (і_х). За характером випадіння опадів розділяють на зливові, обложні та мрячні дощі.

Зливові опади випадають у вигляді дощу, снігу, граду та мокрого снігу. Вони утворюються при швидкому підйомі повітряних мас із водяною парою вгору і відрізняються великою інтенсивністю (і_х  0,3мм/хв), порівняно коротким терміном випадіння і невеликою площею поширення. Зливові опади обумовлюють дощові повені.

Обліжні опади, що випадають у вигляді дощу і снігу, утворюються при повільному підйомі теплих повітряних мас. Для них характерні невисока інтенсивність, тривалий період випадання і значна площа поширення. Обліжні опади дають великий стік, але максимальні витрати від них менші, ніж від злив, що пояснюється їх розтягненням у часі.

Мрячні опади, що складаються із дрібних частинок води або снігу, характеризуються дуже повільним випаданням на землю. Як правило, вони досить мало впливають на річковий стік.

Середній шар опадів для Землі за рік складає 1130 мм (1,13 м), для деяких районів Індії – 15000 мм (15 м), в пустелях Африки – менше 10 мм, для центральної України – 400…600 мм.

Зимові опади інколи переважають літні. Основними характеристиками снігового покриву є тривалість його залягання, висота, щільність снігу, запаси води в снігу.

Тривалість залягання снігового покриву на території України від 30 днів (у Криму) до чотирьох місяців.

Висота снігового покриву від 10 см (Північний Крим) до 30 см на півночі України.

Відносна щільність снігу _{sn, r} є відношення маси снігу до маси води в однакових об’ємах.

, (3.5)

де т_sn – маса снігу;

т_w – маса води.

В практиці за допомогою циліндра вистою h_{sn, c} відбирають пробу снігу і після його танення визначають висоту шару води h_w, тоді відносна щільність снігу визначається за формулою

. (3.6)

Для свіжого снігу відносна щільність дорівнює 0,08…0,14, для злежаного снігу 0,14…0,30, на початку танення снігу 0,24…0,35, наприкінці танення – 0,30…0,45.

При відомій висоті снігового покриву і його щільності можна обрахувати запаси води в снігу V_{v, sn},. що визначають розмір весняного водопілля і зволоження ґрунтів за формулою

, (3.7)

де h_sn – висота снігового покриву.

Кількісну характеристику опадів можна показати у вигляді місячних, річних і середньобагаторічних значень. Їх отримують на метеорологічних станціях. У гідрологічних розрахунках використовують середню кількість опадів для басейну (норма опадів), яку можна обрахувати одним із методів:

• середніх арифметичних значень;

• ізогієт – ліній, що з’єднують на географічній карті точки земної поверхні з однаковими річними кількостями атмосферних опадів;

• квадратів;

• середнього зваження.

Метод середніх арифметичних найпростіший. Застосовують переважно для басейнів рівнинних рік за наявності однорідного рельєфу і густої мережі метеорологічних станцій. Норма опадів визначається діленням суми середніх річних опадів, які зареєстровані на всіх метеостанціях басейну, на число станцій.

Метод ізогієт найточніший, але його застосовують лише в умовах густої мережі станцій. На карту басейну наносять всі станції із показниками середньої кількості опадів за певний період часу на кожній із них. За цими даними провадять ізогієти. Середній шар опадів (мм) для всього басейну обраховують як середньозважену величину за формулою

, (3.8)

де х₁, х₂, х_n – півсума кількості опадів для сусідніх ізогієт;

f₁, f₂, f_n – площа басейну, що обмежена сусідніми ізогієтами.

Випаровування із поверхні річкового басейну включає в себе випаровування із поверхні водоймищ, снігового покриву і льоду, випаровування із ґрунту і рослин. Випаровування – це процес переходу води із рідкої або твердої фази в газоподібний стан (пара); зворотний процес називають конденсацією. Вони пов’язані поміж собою.

Випаровування із водяної поверхні визначає ряд факторів: різниці пружності водяної пари, швидкості вітру, температури води і повітря.

В розрахунках випаровування всі водоймища розділяють на три групи: малі, із площею до 5 км²; середні – 5…40 км²; великі – більше 40 км². Показники еталонного випаровування з поверхні басейну площею 20 м² і глибиною 2 м відповідає випаровуванню із малих водоймищ. Для водоймищ більших розмірів випаровування збільшується на 15…20 %. В практиці інженерних розрахунків використовують карту ізоліній середньобагаторічного випаровування із поверхні води. В Україні виділено дві зони, для яких підраховане місячне випаровування у відсотках від суми за безлідоставний період. Випаровування із поверхні снігу і льоду визначають ті чи інші фактори. Швидкість випаровування із снігового покриву менша за швидкість випаровування із поверхні льоду, оскільки сніг має меншу теплопровідність. Внаслідок цього температура поверхні снігу нижча, ніж на поверхні льоду. Випаровування із поверхні снігу та льоду у порівнянні із випаровуванням із водної поверхні незначне: для України складає 25…30 мм за чотири зимових місяці.

Випаровування із поверхні ґрунту, на якому відсутня рослинність, залежить від метеорологічних факторів, вологості ґрунту, його структури і механічного складу. За наявності рослин до вказаних факторів додається транспірація – випаровування води із поверхні рослини. Транспірація змінюється протягом доби і залежить від тривалості вегетаційного періоду. В інженерній практиці величину випаровування із поверхні ґрунту визначають за методом водного балансу. Сумарне випаровування z знаходять як різницю між опадами і стоком в рівнянні водного балансу .